mongodb分片副本集群搭建

1  部署结构

1.1   集群结构

典型的三分片Mongo集群如下图所示，包含三类组件：查询路由、配置服务器、分片。其中查询路由为mongos进程，配置服务器和分片都是mongod进程。配置服务器和分片都采取副本集（replica set）来确保可用性和健壮性，每个副本集最少包含三个节点。查询路由都是单实例运行，没有副本集机制，可根据需要增加实例数量，也可以在外部添加负载均衡。

上图中每个方框仅代表功能集合，不代表物理位置。实际部署时，为了避免单点故障，同一个副本集中的成员，应该部署在不同主机上。比如分片1的三个mongod进程应该运行在三台不同的主机上。

1.2   部署方案

副本集方案1（一主二从）

副本集方案2（一主一从一仲裁）

如上图所示，三成员的副本集方案有两种：一主二从、一主一从一仲裁。

对于方案1来说，每个成员都是数据节点，应该各自独占一台主机，这样三分片集群至少需要9台服务器（配置服务器和查询路由可以复用主机），之后每追加一个分片需要增加3台主机。具体部署情况如下图所示（同颜色的为一组，查询路由为MS，配置服务器为CS*）：

对于方案2来说，有两个成员是数据节点，两外一个是投票节点（仲裁者），这样三分片集群只需要6台服务器（配置服务器和查询路由依旧复用主机，仲裁者与另一分片的数据节点部署在一台主机），之后每追加一个分片需要增加2台主机。具体部署情况如下图所示（同颜色的为一组，*a表示仲裁者，如Aa、Ba）：

可以看出，分片副本集采取一主一从一仲裁方案，更加节省机器资源。结合Mongo分片集群一期部署所能使用的服务器数量为6台，选择第二种部署方案。

2  部署步骤

1. 安装MongoDB：在所有主机上安装MongoDB
2. 搭建分片集群：确定各组件节点分布，搭建分片集群
3. 数据库初始化：创建需要的分片数据库和分片集合，并添加索引
4. 数据迁移：将生产环境中的Mongo副本集的数据迁移到分片集群中
5. 应用迁移：将相关应用从副本集迁移到分片集群

3  安装MongoDB

操作系统为： 64位CentOS 7

Mongo版本：linux-x86_64-rhel70-3.4.5

注意：所有主机安装的MongoDB版本应当一致。

3.1   检查安装环境

1. 确定NUMA已关闭

执行grep -i numa /var/log/dmesg，如果输出结果为：No NUMA configuration found，说明NUMA已禁用，否则通过BIOS将其关闭，或者使用numactl来启动mongod进程（安装方法见3.3）。

1. 确定kernel版本不低于2.6.36

执行uname -r，查看返回的版本号

1. 确定glibc版本不低于2.13

执行ldd –version（version前面两个减号），查看返回的版本号

1. 确定ulimit配置

执行ulimit -a，查看当前设置，官方推荐配置如下：

主要需要确认的是最大文件数（-n），最大进程数（-u），调整方法如下：

1. 将最大文件数（-n）修改为64000

编辑/etc/security/limits.conf，写入以下两行

b．  将最大进程数（-u）修改为64000

编辑/etc/security/limits.d/20-nproc.conf，写入以下两行

配置完成后，重新打开终端确认是否生效。

1. 文件系统采取XFS

执行df -iT，确认主要分区为xfs。

1. 禁用Transparent Huge Pages

执行以下命令查看状态：

输出信息中方括号选中的为当前状态，如果为never表示禁用

如果不是never，通过执行以下命令禁用：

上面的操作在系统重启后失效，可以通过设置开机禁用，执行crontab -e添加以下内容：

1. 数据库文件目录所在存储卷关闭atime

执行cat /etc/fstab，查看内容，通常如下所示：

注意每行的第三个配置，默认为defaults，修改准备存放库文件目录的卷，在defaults后面添加“,noatime,nodiratime”，例如放在/home目录下：

1. 禁用SELinux

执行sestatus查看状态，如果为disabled，或者permissive模式说明已禁用：

如果未禁用，可以执行setenforce 0来临时禁用。

想要永久禁用，需要修改/etc/selinux/config，将SELINUX修改为disabled或者permissive，需要重启系统生效。

如果不想关闭SELinux，可以用以下命令放行Mongo（运行在默认端口27017上）：

1. 关闭防火墙

执行service firewall status查看防火墙状态，如果为inactive说明已关闭：

如果未关闭，执行service firewalld stop。

3.2   安装Mongo

1. 下载安装包

访问官网https://www.mongodb.com/download-center，下载对应版本安装包（.tgz）

1. 将安装包拷贝服务器上，例如/tmp目录下

1. 打开终端进入安装包所在目录（/tmp），将其解压，会在目录下生成mongodb-***的目录

1. 将解压后的目录拷贝到安装路径（例如/opt/mongodb），执行命令：

1. 在环境变量PATH中添加二进制文件路径

MongoDB的二进制文件在Mongo安装路径的bin/目录下。可以通过修改PATH变量。

编辑shell的rc文件：

在最后添加下面这行：

注意：此环境变量与仅对当前用户有效。

1. 验证安装成功

重新打开中断，输入命令：

如果显示以下信息，说明安装成功。

3.3   安装numactl

对于启用了NUMA的主机，如果无法通过BIOS关闭，可以安装numactl工具。

1. 下载rpm安装包

https://centos.pkgs.org/7/centos-x86_64/numactl-2.0.9-6.el7_2.x86_64.rpm.html

1. 将安装包拷贝到需要运行Mongo的主机上，然后执行命令

显示以下信息说明安装成功。

3.4   安装bwm-ng

bwm-ng是监控网络带宽和磁盘IO的工具。它的官网是：http://www.gropp.org/，当前最新下载地址为：https://www.gropp.org/bwm-ng/bwm-ng-0.6.1.tar.gz，安装步骤如下：

1. 下载安装包
2. 将安装包拷贝到主机上（例如拷贝到/tmp/目录下）
3. 将安装包解压：

1. 进入解压后的目录并编译安装：

1. 检查是否安装成功，执行：

正常会显示类似如下信息：

常用监控命令：

1. 监控网络带宽

1. 监控磁盘IO

4   搭建分片集群

注意：分片集群中所有实例的Mongo版本应当一致。

4.1   分片集群规划

4.1.1  节点分配

以三分片集群为例，它包含15个进程节点，3个路由（mongos）、1个配置服务器副本集（3个mongod组成）、3个分片副本集（每个由3个mongod组成）。因为实际环境有6台主机（140-145），所以每个主机上需要运行不止一个进程。

对资源消耗比较大的是分片中的数据节点（主节点或从节点），每台主机上最好只运行一个数据节点，这样就只能有6个数据节点，平摊到每个分片有2个数据节点，所以每个分片采取1主（primary）1从(secondary)1仲裁（arbiter）的结构。

142、143、144服务器依次部署分片1、分片2、分片3的主节点；145、140、141服务器依次部署分片1、分片2、分片3的从节点。除了这六个节点，剩余3个路由节点、3个配置服务器节点和分片1-3的仲裁节点。

考虑到路由需要和配置服务器通信，所以路由和配置服务器两两部署在一起；另外路由与分片主节点通信也较多，所以就在每个分片主节点所在服务器上部署1个路由节点和1个配置服务器节点。这样142服务器上有分片1的主节点、1个路由节点、1个配置服务器节点；143服务器上有分片2的主节点、1个路由节点、1个配置服务器节点；144服务器上有分片3、1个路由节点、1个配置服务器节点。

至此还剩分片1-3的仲裁节点没有分配。考虑主机资源的均衡，将它们部署到从节点服务器上。同时为了避免单点故障（一个分片里同时挂掉两个节点），每个仲裁节点不放在相同分片的从节点主机上。这样145服务器上有分片1的从节点、分片3的仲裁节点；140服务器上有分片2的从节点、分片1个仲裁节点；142服务器上有分片3的从节点、分片2的仲裁节点。

这样三分片集群节点在6台服务器上的分配情况如下：

4.1.2  端口、路径和磁盘规划

1. 端口规划

根据上一节的节点分配，每台服务器上运行不止一个节点，而每个节点都需要占用端口，所以需要对端口进行规划。

因为MongoDB的默认端口是27017，每台主机可以有一个实例使用该端口，考虑到集群搭建过程中的便利性（不需要指定端口），所以将27017端口分配给每台主机上的数据节点（分片的主节点或从节点）。145、140、141主机上还有的仲裁节点，分配相同的28017端口。142、143、144主机上还有配置服务器节点和路由节点，也考虑根据类型分别分配相同端口，配置服务器分配28018端口，路由分配29017端口。

至此端口分配完成

1. 路径和磁盘规划

每个节点实际是mongod或mongos进程，需要有自己的运行目录，所以需要对运行目录的路径进行规划。出于方便考虑，将每台主机的多个节点运行目录放在同一个根路径下，然后根路径下各自占使用一个子目录，子目录以节点用途命名（例如路由的运行目录为router、配置服务器的运行目录为confsrv、分片1-3的运行目录为shard1/shard2/shard3）

至于运行根目录，考虑到数据节点需要使用大量磁盘资源，所以应该选择磁盘容量最大的分区。例如，如果所有磁盘划分在根分区下（/），运行根目录就选择/var/mongodb/（var目录一般用来存储运行数据，如数据库文件等），如果磁盘主要划分在home分区（/home），下就选择/home/var/mongodb/。

以所有磁盘划分在根分区为例，配置服务器的运行目录为/var/mongodb/confsrv/，路由的运行目录为/var/mongodb/router/，分片的运行目录为/var/mongodb/shard1/、/var/mongodb/shard2/、/var/mongodb/shard3/。每个节点的配置文件、日志文件、PID文件都输出到运行目录中。另外除了路由节点之外，其余节点都需要存储数据，所以都在运行目录下创建dbpath文件夹作为数据目录。

至此各个节点的运行路径就划分完成，如下表所示：

4.1.3  集群规划清单

根据前两节的分析，对集群中各组件的最终规划如下：

各台主机上部署的组件清单如下：

组件规划确定后，下面就进入搭建集群的实操阶段。

4.2   创建配置服务器

1. 创建运行目录

在142、143、144服务器上创建运行目录（应该放磁盘容量最大的卷中），例如：

1. 创建配置文件

在运行目录（/var/mongodb/confsrv/）中创建配置文件mongod-cs.cnf，内容如下：

其中依次设置了：集群角色（configsrv）、副本集名称（confsrv）、操作日志大小、日志设置、端口（28017）、存储设置、后台运行（fork）、PID文件路径。

更多配置见：https://docs.mongodb.com/manual/reference/configuration-options/

注意：配置中所有冒号后面必须增加空格

1. 启动mongod实例

注意：如果运行在启用了NUMA的主机上，使用numactl来启动：

启动之后，根据配置，日志文件、pid文件会写入/var/mongodb/confsrv/，数据会写入/var/mongodb/confsrv/dbpath/。

注意：确保在三个配置服务器节点上（142、143、144）均完成上述步骤。

1. 连接并初始化

在142上使用mongo shell连接mongod实例，执行：

在mongo shell中初始化副本集（注意_id要与配置文件中的replSetName一致，host中为主机IP或可解析域名+端口），执行：

如果操作完成，会返回成功的提示信息（{“ok” : 1.0}），否则会给出错误信息。

这样一主二从的配置服务器副本集就搭建完成。

查看副本集配置，执行：

查看副本集状态，执行：

1. 添加副本集成员（可选）

如果还要追加副本集成员，通过mongo shell连接配置服务器副本集主节点实例，然后执行：

其中、替换为相应节点的主机名（ip或域名）和端口

详细操作可以参考：https://docs.mongodb.com/manual/tutorial/expand-replica-set/

注：配置完成后优先确认网络通畅，防火墙关闭或端口不被屏蔽，如果中间有操作错误，可以使用如下命令进行重新配置：

4.3   创建分片

1. 创建运行目录

以分片1为例，在142服务器上创建运行目录（应该放在磁盘容量最大的卷中），例如：

1. 创建配置文件

在运行目录（/var/mongodb/shard1/）中创建配置文件mongod- sh.cnf，内容如下：

其中依次设置了：集群角色（shardsvr）、副本集名称（shard1）、操作日志大小、日志设置、端口（27017）、存储设置、后台运行（fork）、PID文件路径。

更多配置见：https://docs.mongodb.com/manual/reference/configuration-options/

1. 启动mongod实例

注意：如果运行在启用了NUMA的主机上，使用numactl来启动：

启动之后，根据配置，日志文件、pid文件会写入/var/mongodb/shard1/，数据会写入/var/mongodb/shard1/dbpath/。

在145服务器上完成以上步骤，在140服务器也完成以上步骤（注意：根据规划，需要将配置文件中的端口改为28017）

1. 连接并初始化

在142上使用mongo shell连接mongod实例，执行：

在mongo shell中初始化副本集（注意：_id要与配置文件中的replSetName一致，host中为主机IP或可解析域名+端口），执行：

primary节点和secondary节点就加入分片副本集了，还需要添加arbiter节点，执行：

这样一主一从一仲裁的分片集群就搭建完成。

查看副本集配置，执行：

         查看副本集状态，执行：

1. 添加副本集成员（可选）

如果还要追加副本集成员，通过mongo shell连接配置服务器副本集主节点实例，然后执行：

其中、替换为相应节点的主机名（ip或域名）和端口

详细操作可以参考：https://docs.mongodb.com/manual/tutorial/expand-replica-set/

1. 按照1-5步，分别创建分片2副本集（143、140、141）和分片3副本集（144、141、145）

分片2、分片3的配置如下，仅仅是replSetName和运行目录不同：

另外，在执行步骤4进行初始化时，注意对应修改_id和host。

4.4   创建查询路由

1. 创建运行目录

在142服务器上创建运行目录（应该放在磁盘容量最大的卷中），例如：

1. 创建配置文件

在运行目录（/var/mongodb/router/）中创建配置文件mongos.cnf，内容如下：

其中依次设置了：配置服务器（configDB）、系统日志、端口（29017）、后台运行（fork）、PID文件路径。

1. 启动mongos实例（注意：这里是mongos，而上面都是mongod）

启动之后，根据配置，日志文件、pid文件会写入/var/mongodb/router/。

1. 在143、144上重复上述步骤

注意：当路由（mongos）成为性能瓶颈时，可以多配置几个。

4.5   添加分片

在142上（143、144也行）使用mongo shell连接mongos实例，执行：

然后将上面创建的三个分片依次添加进来，执行：

操作完成后，可以查看分片集群状态，执行：

会发现每个分片除了添加的主节点外，从节点也自动加入了，后续分片副本集如果发生变化（增删节点）也会自动识别出来。

4.6   设置开机启动

通过crontab将分片集群各组件设置为开机启动，以142主机为例，具体操作如下：

1. 编辑crontab，执行：

1. 在打开的crontab文件中末尾追加以下内容：

对于143、144、145、140、141五台主机，crontab添加的内容如下（根据组件规划）：

5  数据库初始化

根据目前需求，过人过车数据存放在o2m数据库中。相关集合如下表所示：

其中客运站过人、火车站过人、机场过人、检查站过人需要进行分片处理，所以先o2m数据库启用分片，然后再将上述四个集合分片。

1. 连接到mongos，执行：

2. 对o2m数据库启用分片，执行：

3. 将相关集合分片（这里采取stationNo+passTime的组合片键），执行：

注：片键后面的方向只能是升序（即1）

4. 查询分片集合的数据分布情况（例如passPerson1），执行：

返回结果的shards节点中包含有各分片情况：

1. 添加索引

注：因为o2m数据库已经启用分片，其中未分片的集合会存储在某个单一分片上，之后某个集合需要分片，参考步骤3执行即可。

6  数据迁移

1. 导出原始数据

例如，从原副本集（运行在27017端口）中导出o2m数据库，执行：

数据会导出到/tmp/mongodump/下的o2m目录中

1. 导入分片集群

数据导入需要通过mongos，使用-h参数指定mongos实例的IP和端口，使用-d参数指定数据库，试用-c参数指定集合，例如导入火车站过人数据，执行：

导入过程中，会显示进度信息。

7  应用迁移

分片集群对于客户端应用来说是透明的，客户端应用只需将分片集群视为单个mongod实例，所有客户端请求都连接分片集群中的路由（mongos）。

应用只需将原有Mongo配置指向路由即可（例如10.20.50.140:29017），如果想要使用多个路由，可以将多个路由地址用逗号连接，类似副本集的配置（192.168.30.139:29017,192.168.30.141:29017,192.168.30.145:29017）